DE102011114586A1

DE102011114586A1 - Modenfilter mit Brechzahlmodifikation

Info

Publication number: DE102011114586A1
Application number: DE102011114586A
Authority: DE
Inventors: Christian Voigtländer; Jens Ulrich Thomas; Prof. Dr. Nolte Stefan; Andreas Tünnermann; Robert Williams
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-04-04
Also published as: WO2013045097A1; EP2761344A1; US20140362878A1; EP2761344B1; US9360617B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Modenfilter zur Reduzierung von Moden höherer Ordnung, mit einer optischen Faser (1), welche einen Kern (2) und einen diesen umgebenden Mantel (3) aufweist, wobei Mantel (3) und Kern (2) voneinander abweichende Brechzahlen haben. Um eine Alternative zum Stand der Technik zu schaffen, ist der erfindungsgemäße Modenfilter so ausgebildet, dass die Faser (1) in einem Übergangsbereich (4) von Kern (2) und Mantel (3) mindestens einen lokalen Brechzahlmodifikationsbereich (5) aufweist, welcher im radial äußeren Bereich des Kerns (2) angeordnet ist und sich in den Bereich des Mantels (3) hinein erstreckt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Modenfilter zur Reduzierung von Moden höherer Ordnung, mit einer optischen Faser, welche einen Kern und einen diesen umgebenden Mantel aufweist, wobei Mantel und Kern voneinander abweichende Brechzahlen haben. Ebenso betrifft die Erfindung einen Faserlaser, insbesondere einen multi-mode High-Power-Faserlaser, welcher einen Modenfilter gemäß der Erfindung verwendet, um Moden höherer Ordnung zu unterdrücken.
Die Nachfrage nach Modenfiltern zur Reduzierung von Moden höherer Ordnung ist gleichzeitig mit dem verstärkten Interesse an Faserlasern enorm gewachsen. Ein Grund dafür liegt in der Unempfindlichkeit der Faserlaser gegenüber äußeren Einflüssen. Dadurch, dass auch gleichzeitig die Resonatorspiegel durch in den Faserkern eingeschriebene Faser-Bragg-Gitter umgesetzt werden, ergibt sich eine vollständig faserintegrierte Herstellung der Faserlaser. Der relativ kleine Querschnitt des aktiven Mediums innerhalb des Faserkerns gewährleistet einen sehr guten Wärmetransport nach außen. Somit ist es möglich – ohne Verschlechterung der thermischen Eigenschaften – durch Verlängern der Faser die Laserverstärkung zu erhöhen und somit sehr hohe Ausgangsleistungen zu erreichen. Der kleine Querschnitt des Faserkerns wirkt sich jedoch bei sehr hohen Leistungen nachteilig auf die Performance des Lasers aus. Die örtliche Beschränkung des geführten Lichts führt zu sehr hohen Intensitäten im Faserkern, wodurch das Entstehen von parasitären nichtlinearen Effekten (Ramanstreuung, Brillouinstreuung und Selbstphasenmodulation) provoziert wird. Dies wird zusätzlich noch durch eine lange Interaktionslänge des Laserlichtes mit dem Faserkern verstärkt.
Dieser Nachteil wird bisher im Stand der Technik durch den Einsatz von Large-Mode-Area(LMA)-Fasern reduziert. LMA-Fasern besitzen einen deutlich größeren Kerndurchmesser als herkömmliche Single-Mode-Fasern. Dies wird durch einen sehr kleinen Brechzahlunterschied zwischen Fasermantel und Kern erreicht. Jedoch sind die heute üblicherweise verwendeten LMA-Fasern nicht strikt single-modig, wodurch auch Moden höherer Ordnung innerhalb der Faser geführt werden. Somit kann es zur Modeninterferenz und zu Verstärkungskonflikten der einzelnen Moden kommen. Zusätzlich verschlechtern die höheren Moden das Abstrahlverhalten des Lasers. Diese Nachteile verstärken sich mit größer werdendem Kerndurchmesser, da dort die Multimodigkeit erhöht wird.
Daher existieren im Stand der Technik weitere Lösungsansätze, um den großen Kern von Multi-Mode-Fasern in Faserlasern nutzen zu können. Diese basieren im Wesentlichen darauf, die Grundmode selektiv anzuregen. Dies kann beispielsweise durch die Kombination einer Single-Mode-Faser mit kleinem Kerndurchmesser und einer in Strahlrichtung dahinter angeordneten Multi-Mode-Faser mit großem Kerndurchmesser erreicht werden. Dabei wird die aktive Multi-Mode-Faser als Verstärker genutzt. Problematisch ist dabei jedoch, dass die Moden durch Störungen ineinander überkoppeln können. Weiterhin führt eine stärkere aktive Dotierung des Zentrums des Kerns der Multi-Mode-Faser dazu, dass die Grundmode mehr verstärkt wird als die Moden höherer Ordnung.
Alternativ dazu existieren weitere Lösungen, die eine Modenfilterung mittels einer modifizierten Fabry-Perot-Kavität aus zwei Faser-Bragg-Gittern erreichen. Dabei überlagern sich die spektralen Eigenschaften der Faser-Bragg-Gitter mit der Kavität. Es entsteht ein Reflektionsspektrum, bei dem sich innerhalb der Reflektionspeaks der Faser-Bragg-Gitter ein Transmissionsminimum aufgrund der Eigenschaften der Kavität befindet. Durch eine zusätzliche zwischen den Faser-Bragg-Gittern in den Faserkern eingebrachte Brechzahländerung, die sich entlang der Faserachse erstreckt, wird die optische Weglänge der Moden verändert. Wird die optische Weglänge für die verschiedenen Moden der Faser unterschiedlich stark verändert, verschiebt sich die Wellenlänge der Fabry-Perot-Kavität der Moden unterschiedlich stark. Es kann dadurch eine Modenselektion erreicht werden.
Die Erfindung strebt nun entgegen dem Stand der Technik einen alternativen Modenfilter an, bei welchem der Herstellungsaufwand minimiert ist und zusätzliche Filterkomponenten wie Faser-Bragg-Gitter nicht mehr erforderlich sind.
Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, dass die Faser in einem Übergangsbereich von Kern und Mantel mindestens einen lokalen Brechzahlmodifikationsbereich aufweist, welcher im radial äußeren Bereich des Kerns angeordnet ist und sich in den Bereich des Mantels hinein erstreckt.
Durch diese Ausgestaltung werden die Führungseigenschaften der Faser in einem bestimmten Bereich nachträglich verändert, so dass die Moden höherer Ordnung einen größeren Führungsverlust als in den übrigen Bereichen der Faser erfahren. Der oder die Brechzahlmodifikationsbereiche befinden sich dabei entlang der äußeren Begrenzung des Faserkerns am Übergang zum Mantel. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es nicht mehr notwendig, unterschiedliche Fasern zusammen zu fügen (Splicen), was einerseits zu erhöhter Absorption an den Übergangsstellen führt und andererseits sehr justageaufwendig ist. Weiterhin ist es entgegen dem Stand der Technik nicht notwendig, zwei aufeinander abgestimmte Faser-Bragg-Gitter in Form einer kurzen Kavität in der Faser zu erzeugen. Der neue Ansatz ist auch ohne Faser-Bragg-Gitter anwendbar.
Die Erfindung sieht vor, dass die Länge des Brechzahlmodifikationsbereiches in axialer Richtung der Faser begrenzt ist. Vorteilhaft entspricht die Länge der einfachen bis vielfachen (z. B. bis zu zehnfachen) Größe des Kerndurchmessers. Diese Länge ist ausreichend, um den Modenfelddurchmesser der Moden höherer Ordnung zu erhöhen. Sobald die Moden dann das Ende des Brechzahlmodifikationsbereiches erreichen, entstehen Verluste an dem kleiner werdenden Führungsquerschnitt, wodurch die Moden höherer Ordnung, welche im Gegensatz zur Grundmode nicht hauptsächlich im Kernzentrum propagieren, Verluste beim Zurückkoppeln in den Faserkern erleiden.
Es empfiehlt sich, dass der Brechzahlmodifikationsbereich eine Brechzahl größer als die des Mantels aufweist. Insbesondere empfiehlt es sich, dass der Brechzahlmodifikationsbereich eine Brechzahl gleich der des Kerns aufweist. Wird die Brechzahl um den Faserkern in einem in axialer Richtung der Faser begrenzten Bereich auf das Niveau des Kerns angehoben, so sehen die im Kern propagierenden Moden in diesem Brechzahlmodifikationsbereich einen größeren effektiven Kern. Der Modenfelddurchmesser vergrößert sich wie zuvor beschrieben, bis die Moden das Ende des Brechzahlhubes (d. h. des Brechzahlmodifikationsbereiches) erreichen und dadurch selektiv Verluste erleiden. Dieser Effekt kann in einer aktiven Laserfaser genutzt werden, um die Verluste der Moden höherer Ordnung zu steigern und somit den Laser zur Single-Mode-Emission zu zwingen.
Eine Ausführungsvariante sieht vor, dass der Brechzahlmodifikationsbereich zylinderförmig um den Kern angeordnet ist. Dadurch ergibt sich ein gleichmäßiger Verlust der Moden höherer Ordnung über den Faserumfang.
Alternativ kann es vorgesehen sein, dass der Brechzahlmodifikationsbereich andere, von der zylindrischen Form abweichende, Formen aufweist. Insbesondere eignet sich ein Modenfilter, bei welchem zwei zueinander parallele Brechzahlmodifikationsbereich so ausgebildet sind, dass sie den Kern auf gegenüberliegenden Seiten tangential berühren. Hierdurch lässt sich zusätzlich eine polarisationsabhängige Selektion der in der Faser geführten Moden erreichen. Dies bietet sich insbesondere dort an, wo Laserlicht mit linear polarisierter Ausgangsstrahlung gewünscht ist. Neben dieser Form des Brechzahlmodifikationsbereiches sind ebenfalls andere Formen denkbar, insbesondere solche, die sich auch für polarisationsselektive Fasern eignen, beispielsweise sternförmige, quadratische oder andere Querschnittsformen.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Faser in axialer Richtung mehrere Brechzahlmodifikationsbereiche aufweist. Dadurch lässt sich die Filterung in mehreren hinter einander liegenden Stufen durchführen, wodurch die Qualität der Filterung zusätzlich erhöht werden kann. Ebenso wäre es möglich, die in axialer Richtung der Faser hintereinander liegenden Brechzahlmodifikationsbereiche so aufeinander abzustimmen, dass der Brechzahlhub von Modifikationsbereich zu Modifikationsbereich ansteigt, oder die Länge oder der Durchmesser des Modifikationsbereiches. Ebenso können sich auch zylinderförmig ausgebildete und polarisationsselektive Bereich abwechseln.
Weiterhin ist es auch möglich, dass der Kern zusätzlich ein oder mehrere Faser-Bragg-Gitter aufweist. Faser-Bragg-Gitter weisen eine in den Kern eingebrachte in axialer Richtung der Faser periodische Brechzahlmodulation auf. Da die einzelnen Moden in einer multi-modigen Faser unterschiedliche effektive Brechzahlen besitzen, treten im Reflektionsspektrum gemäß der Bragg-Bedingung mehrere Reflektionen bei unterschiedlichen Wellenlängen auf. Wird das Faser-Bragg-Gitter mit dem zuvor beschriebenen Modenfilter kombiniert, so wird die Reflektivität der höheren Moden reduziert, was in einem Laser zu einer bevorzugten Verstärkung der Grundmode führt. Somit wird durch die Kombination von Modenfilter und Faser-Bragg-Gitter neben dem single-modigen Verhalten auch eine Wellenlängenstabilisierung erreicht. Insgesamt nimmt die Unempfindlichkeit des Faserlasers gegenüber Umgebungseinflüssen zu.
Schließlich kann es vorgesehen sein, dass die Faser eine Large-Mode-Area(LMA)-Faser ist, Der erfindungsgemäße Ansatz ist daher auch für genau die Fasern geeignet, welche im Allgemeinen für den Aufbau von single-modigen High-Power-Faserlasern verwendet werden. Da LMA-Fasern leicht multi-modig sind, eignet sich der dargestellte Modenfilter ganz besonders auch für diese.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der in den beiliegenden Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße Vorrichtung näher erläutert. Dabei zeigen
1a, b: eine Faser mit zylinderförmigem Brechzahlmodifikationsbereich im Querschnitt (a) und im Längsschnitt (b),
2a, b: eine Faser mit zwei zueinander parallelen Brechzahlmodifikationsbereichen im Querschnitt (a) und im Längsschnitt (b),
3: Kombination einer Faser mit Brechzahlmodifikationsbereich und Faser-Bragg-Gitter.
4a, b: zwei Reflexionsspektren einer 2-modigen Faser mit Faser-Bragg-Gitter, a) ohne zusätzliche Brechzahlmodifikation, b) mit zusätzlicher Brechzahlmodifikation.
Die 1a) und b) zeigen eine Faser 1 mit einem Kern 2 und einem Mantel 3. Zwischen Kern 2 und Mantel 3 befindet sich ein Übergangsbereich 4. Im Bereich des Übergangsbereiches 4 ist an die radial nach außen weisende Begrenzung des Kerns 2 ein Brechzahlmodifikationsbereich 5 angeordnet, welcher sich im Längsschnitt der Faser betrachtet über die Begrenzung des Kerns 2 radial nach außen erstreckt.
Die 2a) und b) zeigen ebenfalls eine Faser 1 mit einem Kern 2 und einem Mantel 3. An der radial nach außen weisenden Begrenzung des Kerns 2 sind zwei Brechzahlmodifikationsbereiche 5 angeordnet, welche zueinander parallel verlaufen und den Kern 2 auf gegenüberliegenden Seiten tangential berühren.
Die 3 zeigt eine Faser mit einem Brechzahlmodifikationsbereich 5 und einem Faser-Bragg-Gitter 6. Alternativ kann die Brechzahlmodifikation 5 auch mit dem Faser-Bragg-Gitter 6 kombiniert werden.
Die 4a) und b) zeigen Reflexionsspektren einer 2-modigen Faser mit Faser-Bragg-Gitter innerhalb des Kerns 2. 4a) stellt dabei das Reflektivitätsspektrum der Faser 1 ohne zusätzlichen Brechzahlmodifikationsbereich 5 dar, während 4b) das Reflektivitätsspektrum der Faser 1 mit zusätzlichem Brechzahlmodifikationsbereich 5 angibt. Dort sind jeweils die Reflektivitäten zweier Moden 7, 8 gezeigt, wobei die eine Mode die LP11-Mode 7 und die andere Mode die LP01-Mode 8 ist.
Die Erfindung gemäß der Faseranordnung in 1 wird im Folgenden anhand einer 2-modigen-Faser 1 erläutert, in welcher zwei Moden 7, 8 ausbreitungsfähig sind, nämlich beispielsweise die LP11-Mode 7 und die LP01-Mode 8. Die beiden Moden propagieren innerhalb des Kerns 2 und des Mantels 3 der Faser, wobei die Mode LP01 8 sich als Grundmode hauptsächlich im Zentrum des Kerns 2 ausbreitet. Die LP11-Mode 7 ist eine Mode höherer Ordnung. Sie propagiert im Vergleich zur Grundmode 8 mehr in der Nähe des Übergangsbereiches 4 von Kern 2 und Mantel 3. Der erfindungsgemäße Modenfilter verfügt nun gemäß 1 über einen zylinderförmig um den Kern 2 angeordneten Brechzahlmodifikationsbereich 5. Dieser Brechzahlmodifikationsbereich 5 weist die gleiche Brechzahl auf wie der Kern 2. Dadurch stellt dieser Brechzahlmodifikationsbereich 5 eine lokale Durchmessererweiterung des Kerns 2 dar, welche eine endliche Länge in axialer Richtung der Faser 1 aufweist. Durch diesen radial über die Begrenzung des Kerns 2 hinausragenden Brechzahlmodifikationsbereich 5 wird die Brechzahl dort auf das Niveau des Kerns 2 angehoben, wodurch die im Kern 2 propagierenden Moden 7, 8 in diesem Bereich 5 einen größeren effektiven Kern 2 sehen. Der Modenfelddurchmesser vergrößert sich, bis die Moden 7, 8 das Ende des endlichen Brechzahlmodifikationsbereiches 5 erreichen. Da die Grundmode 8 im Zentrum des Kerns 2 die höchste Intensität besitzt, erfährt sie die geringsten Verluste an diesem kleiner werdenden Führungsquerschnitt. Die höhere Mode 7 hat an der Übergangsstelle größere Verluste beim Zurückkoppeln in den ursprünglichen, verkleinerten Durchmesser des Kerns 2. Dadurch findet eine Steigerung der Verluste der höheren Mode 7 statt, wodurch eine Modenfilterung entsteht.
4 zeigt die Auswirkung der erfindungsgemäßen Modenfilterung, hier für ein Ausführungsbeispiel mit Faser-Bragg-Gitter, wie es in 3 illustriert ist. 4a) gibt dabei das Reflektivitätsspektrum eines Faser-Bragg-Gitters einer 2-modigen Faser 1 wieder, welche keinen Brechzahlmodifikationsbereich 5 aufweist. Dagegen zeigt 4b) das Reflektivitätsspektrum eines Faser-Bragg-Gitters einer gleichartigen Faser 1 mit Brechzahlmodifikationsbereich 5. Es ist zu erkennen, dass die Mode höherer Ordnung (LP11-Mode) 7 im Falle der Verwendung eines Brechzahlmodifikationsbereiches 5 eine wesentlich geringere Reflektivität aufweist, so dass innerhalb der Faser 1 im Wesentlichen nur noch die Grundmode (LP01-Mode) 8 propagiert.
Gemäß 2 kann der Brechzahlmodifikationsbereich 5 auch aus zwei separaten Brechzahlmodifikationsbereichen 5 bestehen, welche zueinander parallel ausgebildet sind und den Kern 2 auf gegenüberliegenden Seiten tangential berühren (2a)). Sofern Moden 7, 8 mit verschiedenen Polarisationsrichtungen innerhalb der Faser 1 propagieren, wird dadurch eine Polarisationsfilterung erreicht, dass nur die Moden 7, 8, welche in ihrer Schwingungsebene mit den Brechzahlmodifikationsbereichen in Kontakt treten, den zugehörigen Brechzahlhub wahrnehmen. insofern lässt sich durch den erfindungsgemäßen Modenfilter ebenso eine Polarisationsfilterung durchführen.

Claims

Modenfilter zur Reduzierung von Moden höherer Ordnung, mit einer optischen Faser (1), welche einen Kern (2) und einen diesen umgebenden Mantel (3) aufweist, wobei Mantel (3) und Kern (2) voneinander abweichende Brechzahlen haben, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser (1) in einem Übergangsbereich (4) von Kern (2) und Mantel (3) mindestens einen lokalen Brechzahlmodifikationsbereich (5) aufweist, welcher im radial äußeren Bereich des Kerns (2) angeordnet ist und sich in den Bereich des Mantels (3) hinein erstreckt.
Modenfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Brechzahlmodifikationsbereiches (5) in axialer Richtung der Faser (1) begrenzt ist.
Modenfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Brechzahlmodifikationsbereiches (5) der einfachen bis vielfachen Größe des Kerndurchmessers entspricht.
Modenfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechzahlmodifikationsbereich (5) eine Brechzahl größer als die des Mantels (3) aufweist.
Modenfilter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechzahlmodifikationsbereich (5) eine Brechzahl gleich der des Kerns (2) aufweist.
Modenfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechzahlmodifikationsbereich (5) zylinderförmig um den Kern (2) angeordnet ist.
Modenfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser (1) in axialer Richtung mehrere Brechzahlmodifikationsbereiche (5) aufweist.
Modenfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei zueinander parallele Brechzahlmodifikationsbereiche (5) so ausgebildet sind, dass sie den Kern (2) auf gegenüberliegenden Seiten tangential berühren.
Modenfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) zusätzlich ein oder mehrere Faser-Bragg-Gitter aufweist.
Modenfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser (1) eine Large-Mode-Area(LMA)-Faser ist.
Faserlaser, insbesondere multi-mode High-Power-Faserlaser, mit einem Modenfilter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.